За счет чего человек двигается? Что такое энергетический обмен? Откуда берется энергия для организма? На сколько ее хватит? При какой физической нагрузке, какая энергия расходуется? Вопросов как видите много. Но больше всего их появляется, когда начинаешь эту тему изучать. Попробую облегчить самым любопытным жизнь и сэкономить время. Поехали…
Энергетический обмен – совокупность реакций расщепления органических веществ, сопровождающихся выделением энергии.
Для обеспечения движения (актиновых и миозиновых нитей в мышце) мышце требуется АденозинТриФосфат (АТФ). При разрыве химических связей между фосфатами выделяется энергия, которая используется клеткой. При этом АТФ переходит в состояние с меньшей энергией в АденозинДиФосфат (АДФ) и неорганического Фосфора (Ф)
АТФ + h3O ⇒ АДФ + Ф + Энергия
Если мышца производит работу, то АТФ постоянно расщепляется на АДФ и неорганический фосфор выделяя при этом Энергию (порядка 40-60 кДж/моль). Для продолжительной работы необходимо восстановление АТФ с такой скоростью, с какой это вещество используется клеткой.
Источники энергии, используемые при кратковременной, непродолжительной и продолжительной работе различные. Образование энергии может осуществляться как анаэробным (безкислородным), так и аэробным (окислительным) способом. Какие качества развивает спортсмен тренируясь в аэробной или анаэробной зоне я писал в статье «Пульс для бега и пульс при физической нагрузке (Пульсовые зоны)«.
Выделяют три энергетические системы, обеспечивающие физическую работу человека:
- Алактатная или фосфагенная (анаэробная). Связана с процессами ресинтеза АТФ преимущественно за счет высокоэнергетического фосфатного соединения – КреатинФосфата (КрФ).
- Гликолитическая (анаэробная). Обеспечивает ресинтез АТФ и КрФ за счет реакций анаэробного расщепления гликогена и/или глюкозы до молочной кислоты (лактата).
- Аэробная (окислительная). Возможность выполнения работы за счет окисления углеводов, жиров, белков при одновременном увеличении доставки и утилизации кислорода в работающих мышцах.
Энергообеспечение организма человека.
Источники энергии при кратковременной работе.
Быстродоступную энергию мышце дает молекула АТФ (АденозинТриФосфат). Этой энергии хватает на 1-3 секунды. Этот источник используется для мгновенной работы, максимальном усилии.
АТФ + h3O ⇒ АДФ + Ф + Энергия
В организме АТФ является одним из самых часто обновляемых веществ; так, у человека продолжительность жизни одной молекулы АТФ менее 1 мин. В течение суток одна молекула АТФ проходит в среднем 2000—3000 циклов ресинтеза (человеческий организм синтезирует около 40 кг АТФ в день, но содержит в каждый конкретный момент примерно 250 г), то есть запаса АТФ в организме практически не создаётся, и для нормальной жизнедеятельности необходимо постоянно синтезировать новые молекулы АТФ.
Пополняется АТФ за счет КрФ (КреатинФосфат), это вторая молекула фосфата, обладающего высокой энергией в мышце. КрФ отдает молекулу Фосфата молекуле АДФ для образования АТФ, обеспечивая тем самым возможность работы мышцы в течение определенного времени.
Выглядит это так:
АДФ+ КрФ ⇒ АТФ + Кр
Запаса КрФ хватает до 9 сек. работы. При этом пик мощности приходится на 5-6 сек. Профессиональные спринтеры этот бак (запас КрФ) стараются еще больше увеличить путем тренировок до 15 секунд.
Как в первом случае, так и во втором процесс образования АТФ происходит в анаэробном режиме, без участия кислорода. Ресинтез АТФ за счет КрФ осуществляется почти мгновенно. Эта система обладает наибольшей мощностью по сравнению с гликолитической и аэробной и обеспечивает работу «взрывного» характера с максимальными по силе и скорости сокращениями мышц. Так выглядит энергетический обмен при кратковременной работе, другими словами, так работает алактатная система энергообеспечения организма.
Источники энергии при непродолжительной работе.
Откуда берется энергия для организма при непродолжительной работе? В этом случае источником является животный углевод, который содержится в мышцах и печени человека — гликоген. Процесс, при котором гликоген способствует ресинтезу АТФ и выделению энергии называется Анаэробным гликолизом (Гликолитическая система энергообеспечения).
Гликолиз – это процесс окисления глюкозы, при котором из одной молекулы глюкозы образуются две молекулы пировиноградной кислоты (Пируват). Дальнейший метаболизм пировиноградной кислоты возможен двумя путями — аэробным и анаэробным.
При аэробной работе пировиноградная кислота (Пируват) участвует в обмене веществ и многих биохимических реакциях в организме. Она превращается в Ацетил-кофермент А, который участвует в Цикле Кребса обеспечивая дыхание в клетке. У эукариот (клетки живых организмов, которые содержат ядро, то есть в клетках человека и животных) Цикл Кребса протекает внутри митохондрии (МХ, это энергетическая станция клетки).
Цикл Кребса (цикл трикарбоновых кислот) – ключевой этап дыхания всех клеток использующих кислород, это центр пересечения многих метаболических путей в организме. Кроме энергетической роли, Циклу Кребса отводится существенная пластическая функция. Участвуя в биохимических процессах он помогает синтезировать такие важные клетки-соединения, как аминокислоты, углеводы, жирные кислоты и др.
Если кислорода недостаточно, то есть работа проводится в анаэробном режиме, тогда пировиноградная кислота в организме подвергается анаэробному расщеплению с образованием молочной кислоты (лактата)
Гликолитическая анаэробная система характеризуется большой мощностью. Начинается этот процесс практически с самого начала работы и выходит на мощность через 15-20 сек. работы предельной интенсивности, и эта мощность не может поддерживаться более 3 – 6 минут. У новичков, только начинающих заниматься спортом, мощности едва ли хватает на 1 минуту.
Энергетическими субстратами для обеспечения мышц энергией служат углеводы – гликоген и глюкоза. Всего же запаса гликогена в организме человека на 1-1,5 часа работы.
Как было сказано выше, в результате большой мощности и продолжительности гликолитической анаэробной работы в мышцах образуется значительное количество лактата (молочной кислоты).
Гликоген ⇒ АТФ + Молочная кислота
Лактат из мышц проникает в кровь и связывается с буферными системами крови для сохранения внутренней среды организма. Если уровень лактата в крови повышается, то буферные системы в какой-то момент могут не справиться, что вызовет сдвиг кислотно-щелочного равновесия в кислую сторону. При закислении кровь становится густой и клетки организма не могут получать необходимого кислорода и питания. В итоге, это вызывает угнетение ключевых ферментов анаэробного гликолиза, вплоть до полного торможения их активности. Снижается скорость самого гликолиза, алактатного анаэробного процесса, мощность работы.
Продолжительность работы в анаэробном режиме зависит от уровня концентрации лактата в крови и степенью устойчивости мышц и крови к кислотным сдвигам.
Буферная емкость крови – способность крови нейтрализовать лактат. Чем тренированнее человек, тем больше у него буферная емкость.
Источники энергии при продолжительной работе.
Источниками энергии для организма человека при продолжительной аэробной работе, необходимые для образования АТФ служат гликоген мышц, глюкоза в крови, жирные кислоты, внутримышечный жир. Этот процесс запускается при длительной аэробной работе. Например, жиросжигание (окисление жиров) у начинающих бегунов начинается после 40 минут бега во 2-й пульсовой зоне (ПЗ). У спортсменов процесс окисления запускается уже на 15-20 минуте бега. Жира в организме человека достаточно для 10-12 часов непрерывной аэробной работы.
При воздействии кислорода молекулы гликогена, глюкозы, жира расщепляются синтезируя АТФ с выделением углекислого газа и воды. Большинство реакций происходит в митохондриях клетки.
Гликоген + Кислород ⇒ АТФ + Углекислый газ + Вода
Образование АТФ с помощью данного механизма происходит медленнее, чем с помощью источников энергии, используемых при кратковременной и непродолжительной работе. Необходимо от 2 до 4 минут, прежде чем потребность клетки в АТФ будет полностью удовлетворена с помощью рассмотренного аэробного процесса. Такая задержка вызвана тем, что требуется время, пока сердце начнет увеличивать подачу крови обогащенной кислородом мышцам, со скоростью необходимой для удовлетворения потребностей мышц в АТФ.
Жир + Кислород ⇒ АТФ + Углекислый газ + Вода
Фабрика по окислению жира в организме является самой энергоемкой. Так как при окислении углеводов, из 1 молекулы глюкозы производится 38 молекул АТФ. А при окислении 1 молекулы жира – 130 молекул АТФ. Но происходит это гораздо медленнее. К тому же для производства АТФ за счет окисления жира требуется больше кислорода, чем при окислении углеводов. Еще одна особенность окислительной, аэробной фабрики – она набирает обороты постепенно, по мере увеличения доставки кислорода и увеличения концентрации в крови выделившихся из жировой ткани жирных кислот.
Больше полезной информации и статей вы можете найти ЗДЕСЬ.
Если представить все энергообразующие системы (энергетический обмен) в организме в виде топливных баков, то выглядеть они будут так:
- Самый маленький бак – КреатинФосфат (это как 98 бензин). Он находится как бы ближе к мышце и запускается в работу быстро. Этого «бензина» хватает на 9 сек. работы.
- Средний бак – Гликоген (92 бензин). Этот бак находится чуть дальше в организме и топливо из него поступает с 15-30 секунды физической работы. Этого топлива хватает на 1-1,5 часа работы.
- Большой бак – Жир (дизельное топливо). Этот бак находится далеко и прежде, чем топливо начнет поступать из него пройдет 3-6 минут. Запаса жира в организме человека на 10-12 часов интенсивной, аэробной работы.
Все это я придумал не сам, а брал выжимки из книг, литературы, интернет-ресурсов и постарался лаконично донести до вас. Если остались вопросы — пишите.
Похожее
Конспект на интерактивный видео-урок
по предмету «Естествознание» для «10» класса
Урок № 24.Энергетика живой клетки
Перечень вопросов, рассматриваемых в теме:
- Как энергия запасается в клетке;
- Что такое метаболизм;
- В чем суть процессов гликолиза, брожения и клеточного дыхания;
- Какие процессы проходят на световой и темновой фазах фотосинтеза;
- Как связаны процессы энергетического и пластического обмена;
- Что представляет собой хемосинтез.
Глоссарий по теме:
Метаболизм (обмен веществ) — сложная цепь превращений веществ в организме начиная с момента их поступления из внешней среды и кончая удалением продуктов распада. Представляет собой совокупность процессов энергетического обмена (катаболизма диссимиляции) и пластического обмена (анаболизма, ассимиляции).
Энергетический обмен – это совокупность химических реакций постепенного распада органических соединений, сопровождающихся высвобождением энергии, часть которой расходуется на синтез АТФ. Синтезированная АТФ становится универсальным источником энергии для жизнедеятельности организмов. Значение энергетического обмена – снабжение клетки энергией, которая необходима для жизнедеятельности.
Пластический обмен – это совокупность химических реакций образования (синтеза) из простых веществ с затратой энергии более сложные. Непосредственным поставщиком энергии в клетках выступает АТФ.
Фотосинтез – процесс образования органических веществ из неорганических (углекислого газа и воды) с использованием солнечной энергии. Проходит в два этапа: световая фаза (происходит улавливание и фиксация энергии света в АТФ) и темновая (связывание углекислого газа в молекулы глюкозы с затратой энергии АТФ).
Хемосинтез — процесс образования органических веществ из неорганических (углекислого газа и воды) с использованием энергии окисления неорганических веществ. Например, такой тип питания используют азотфиксирующие бактерии.
Клеточное или тканевое дыхание — совокупность биохимических реакций, протекающих в клетках живых организмов, в ходе которых происходит окисление углеводов, липидов и аминокислот до углекислого газа и воды.
Основная и дополнительная литература по теме урока :
Естествознание. 10 класс [Текст]: учебник для общеобразоват. организаций: базовый уровень / И.Ю. Алексашина, К.В. Галактионов, И.С. Дмитриев, А.В. Ляпцев и др. / под ред. И.Ю. Алексашиной. – 3-е изд., испр. – М.: Просвещение, 2017.: с 115 — 118.
Электронные ресурсы:
Обмен веществ. Портал открытая биология // Электронный доступ: https://biology.ru/textbook/content.html
АТФ и её роль в клетке .Проект «вся биология» // Электронный доступ: http://www.sbio.info/materials/obbiology/obbkletka/stroenorg/12
Энергетика живой клетки. Научно-познавательный журнал «Познавайка» // Электронный доступ: http://www.poznavayka.org/biologiya/energiya-zhivoy-kletki/
Энергетика живой клетки. Журнал «В МИРЕ НАУКИ» №3, 2006 . БИОЛОГИЯ // электронный доступ: https://elementy.ru/nauchno-populyarnaya_biblioteka/430308/430310?SSL=1
Теоретический материал для самостоятельного изучения
Обязательным условием существования биологических систем являются потоки энергии. В этом заключается ключевое различие между живой и неживой природой. Энергия не хранится в клетке, а поступает извне. Ключевую роль в трансформации энергии обеспечивает клетка, как элементарная структура живого. Специальные биохимические механизмы трансформируют одни виды энергии в другие, для обеспечения необходимых функций клетки.
Основным источником энергии для всех живых существ планеты Земля, является энергия Солнца. Однако эта энергия может быть использована живым только после того, как она будет усвоена фотоавтотрофами (от греч. «фото» — свет, «авто» — сам, «трофос» — питание).
В процессе эволюции появились и другие организмы, которые научились потреблять готовые органические соединения для получения запасённой в них энергии – гетеротрофы (от греч. «гетерос» — другой, «трофос» — питание).
Некоторые виды микроорганизмов (хемоавтотрофы) приобрели способность к использованию энергии, выделяемой при окислении неорганических веществ.
Таким образом, из всего многообразия существующих форм энергии живые существа на нашей планете используют только две – световую и энергию химических связей.
Главный переносчик энергии в клетке
Световая энергия Солнца и энергия, заключённая в потребляемой пище, запасаются в особых бимолекулярных аккумуляторах – молекулах АТФ (аденозинтрифосфат). В молекулах АТФ энергия запасается в виде высокоэнергетических химических связях между остатками фосфорной кислоты, которая освобождается при отщеплении фосфата: АТФ → АДФ + Ф + E.
Выделяемая энергия используется клетками для процессов выработки тепла, мышечных сокращений (мышечная клетка), для проведения нервного импульса (нервные клетки) и т.п.
Обратный процесс образования АТФ с затратой энергии, получил название энергетический обмен.
Синтез макромолекул важнейших органических соединений, необходимых для построения структур клетки, обеспечения всех процессов жизнедеятельности клеток – пластический обмен — обеспечивается также энергией АТФ.
Независимо от типа питания, универсальным аккумулятором энергии живых организмов выступают молекулы АТФ, где добытая энергия извне запасается в виде химических связей. Такая схожесть иллюстрирует единство происхождения всего живого.
Метаболизм
Поступившие вместе с пищей (или в результате фотосинтеза) органические вещества расщепляются на более простые (катаболизм или диссимиляция), которые служат для постройки макромолекул органических соединений (анаболизм или ассимиляция). Эти процессы происходят в организме одновременно. Совокупность этих процессов получила название – метаболизм. В результате его организм осуществляет обмен веществом и энергией с окружающей средой. Наибольшее значение для энергетического обмена являются многостадийные реакции расщепления глюкозы.
На стадии гликолиза в цитоплазме клетки происходит ферментативное расщепление молекулы глюкозы с образованием более простой пировиноградной кислоты и молекул АТФ: С6Н12О6 + 2 АДФ + 2 Ф → 2С3Н4О3 + 4Н+ + 2АТФ
Молекулы пировиноградной кислоты обладают значительной энергией, высвобождение которой происходит в митохондриях. В ходе так называемого клеточного дыхания (аэробного расщепления), вещество распадается на углекислый газ, который впоследствии выделяется из клетки и воду. По последним исследованиям, при этом образуется 30 молекул АТФ.
Суммарную реакцию окисления глюкозы можно представить следующим образом:
С6Н12О6 + 6О2 + 6Н2О + 32 АДФ + 32 Ф → 6 СО2 + 12 Н2О + 32АТФ
Некоторые микроорганизмы при недостатке кислорода расщепляют глюкозу в процессе анаэробного дыхания или брожения. В зависимости от конечных продуктов такого расцепления различают спиртовое брожение (с образование этанола), молочнокислое (молочная кислота). Последнее происходит и в мышцах, при недостатке кислорода, например во время длительной тренировки. Энергетический выход такого типа расщепления менее энергоэффективен.
Основным источником энергии для организмов является окисление глюкозы в митохондриях. При этом также может происходить окисление других органических соединений (белков, жиров), потребляемых, например, вместе с пищей.
Фотосинтез
Фотоавтотрофы имеют уникальные ферментативные системы, способные трансформировать энергию солнечного света в энергию химической связи. Процесс образования органических веществ из неорганических (углекислого газа и воды) с использованием солнечной энергии получил название фотосинтез. В растениях фотосинтезирующие комплексы сосредоточены в специальных органеллах – хлоропластах. Основной пигмент – хлорофилл – выполняет функцию световых «антенн», улавливая световые волны практически всех диапазонов, кроме зелёного. Стоит отметить, что это обуславливает окраску листьев растений.
В так называемой, световой фазе, кванты света выбивают электроны из молекулы хлорофилла, и он начинает передаваться по специальным белковым переносчикам, расположенных на мембране хлоропластов. Под действием света одновременно происходит разложение воды (фотолиз). В реакции высвобождается, в том числе катион водорода (Н+), необходимый для последующего биосинтеза, который захватывает молекула НАДФ (никотинамидадениндинуклеотидфосфат): НАДФ+ + Н+→НАДФ∙Н
Энергия возбуждённого электрона заряжает известный нам биологический катализатор АТФ и молекулу НАДФ – в этом заключается биологический смысл световой фазы фотосинтеза.
Заметим, что побочными продуктами фотолиза воды становятся свободный кислород и свободные электроны, восстанавливающие хлорофилл: 2Н2О→ Н+ + 4е— + О2
Дальнейший процесс может уже проходить без света. Сущность реакций темновой фазы можно выразить следующим уравнением: СО2 + НАДФ∙Н + АТФ = С6Н12О6 +АДФ + НАДФ+
Не сложно заметить, что выделяются вещества необходимые на начальном этапе фотосинтеза, что замыкает цикл. Энергия молекулярных аккумуляторов была использована для фиксации углекислого газа в энергию химических связей углевода.
Фотосинтез, таким образом, является процессом превращения одной (световой) формы энергии в другую(химическую). Вся энергия биосферы запускается благодаря этому процессу. Другими словами, фотосинтез является отражением космических потоков энергии. Помимо этого, фотосинтезирующие организмы не только обеспечивают первичный синтез органических соединений, но и создают условия необходимые для существования других живых организмов.
Взаимосвязь энергетического и пластического обмена
Не сложно заметить, что процессы аккумулирования энергии в молекулах АТФ (энергетический обмен) и использование запасённой энергии для синтеза необходимых веществ (белков, жиров, углеводов, нуклеиновых кислот) неразрывно связаны. Так синтез АТФ не возможен без разложения органических веществ, а синтез веществ клетки не возможен без энергии АТФ. Причём, заметим, что и фотосинтез представляет собой единство этих процессов: темновая фаза – пластический обмен, световая фаза – энергетический.
Оба процесса протекают одновременно и неотделимы друг от друга, обеспечивая жизнедеятельность организма. Таким образом, в клетках происходит трансформация вещества и энергии, которые лежат в основе существования жизни и непрерывного самообновления. Сходство процессов энергетического обмена в клетках всех живых организмов является доказательством единства их происхождения.
Вывод
В клетках происходят одновременно процессы энергетического и пластического обмена, это лежит в основе сохранения жизни. Взаимообмен энергией и веществом между живой и неживой природой является иллюстрацией принципа единства и взаимосвязи материального мира.
Примеры и разбор решения заданий тренировочного модуля:
Задание 1. Выберите один ответ:
- Универсальным аккумулятором энергии в клетке является:
- Жиры;
- Белки;
- АТФ;
- НАДФ∙Н.
Ответ: АТФ
Пояснение: универсальной «разменной валютой» в энергетике живой клетки выступает АТФ. При его распаде выделяется энергия, которая расходуется на все жизненно важные процессы.
Задание 2. Исправьте ошибки, анализируя текст с позиции энергетического обмена:
В рационе питания человека помимо белков растительных и животных не обязательно должны присутствовать углеводы и жиры. Отсутствие жиров в пище не приводит к истощению. Человек толстеет, если употребляет в пищу избыточное количество углеводов. На сое и рисе можно прожить.
Ответ: В рационе питания человека помимо белков растительных и животных не обязательно должны присутствовать углеводы и жиры. Отсутствие жиров в пище не приводит к истощению. Человек толстеет, если употребляет в пищу много жиров. Исключительно на сое и рисе можно благополучно прожить.
Пояснение: с точки зрения энергетического обмена, наиболее энергоэффективными являются жиры. При этом, жиры, поступающие с пищей, используются в том числе, для построения многих важных соединений, например гормонов. «Быстрая» энергия углеводов в избыточном количестве может приводить к полноте. Употребление только растительного белка в пищу, по сравнению с животным, является менее энергоэффективным и при отсутствии других источников энергии может приводить к истощению организма.
Обмен веществ и превращение энергии – свойства живых организмов
Обмен веществ является комплексом различных химических преобразований, способствующих сохранению и самовоспроизведению биоструктур.
Он заключается в поступлении веществ в организм во время питания и дыхания, метаболизме внутри клетки или обмене веществ, вдобавок, в высвобождении конечных продуктов метаболизма.
Метаболизм неотрывно соединён с процессами преобразований определённых видов энергии в другие. К примеру, в начале процесса фотосинтеза световая энергия скапливается в виде энергии химических связей сложных органических молекул, в процессе же дыхания она освобождается и применяется для синтезирования новых молекул, механические и осмотические работы, рассеянные в виде тепла и т. д.
Поток химических превращений в живых организмах снабжается биологическими катализаторами белковой специфики — ферментами или энзимами. Наряду с остальными катализаторами, энзимы ускоряют течение химических реакций в клетке до нескольких сотен тысяч раз, при этом они не меняют природу или свойства конечных продуктов клетки. Ферменты представляют собой простые или сложные белковые молекулы, которые, помимо части, состоящей из белка, включают небелковый кофактор, по – другому называемый коферментом. Ферментами являются, например: амилаза слюны, которая расщепляет гликаны при длительном жевании и пепсин, который обеспечивает переваривание белков в желудочно-кишечном тракте.
Ферменты различаются с небелковыми катализаторами тем, что имеют высокую специфичность действия, в значительной степени увеличенную скорости реакции, а также возможностью регулирования действия путем смены условий реакции или взаимодействия различных веществ с ними. Кроме того, условия, при которых протекает ферментативный катализ, значительно различаются с теми, при которых происходит неферментативный катализ: оптимальная температура для того, чтобы ферменты могли функционировать в организме человека, составляет 37 ° С, а также необходимо, чтобы давление являлось близким к атмосферному, в то время как кислотность среды может значительно варьироваться. Например, для амилазы необходима щелочная среда, для пепсина же наоборот — кислая.
Механизм действия ферментов заключается в том, чтобы снизить энергию активации веществ (субстратов), которые вступают в реакцию вследствие образования промежуточных фермент-субстратных комплексов.
Энергетический и пластический обмен, их взаимосвязь
Метаболизм процессуально слагается из двух частей, происходящих в клетке в одно и то же время: пластического и энергетического обмена.
Пластический метаболизм (анаболизм, ассимиляция) является совокупностью реакций синтеза, сопровождающихся расходом энергии аденозинтрифосфата. Пластический обмен особенно важен тем, что в результате него синтезируются органические вещества, играющие важную роль в жизнедеятельности клетки. Реакциями данного обмена являются, например, процесс фотосинтеза, биологический синтез белковых молекул и репликация молекул ДНК (самодублирование).
Энергетический обмен (катаболизм, диссимиляция) являет собой сочетание реакций разложения сложных веществ на более простые. Результатом данного обмена является накапливание энергии в форме АТФ. Важнейшими процессами энергетического обмена являются дыхание и брожение.
Пластический и энергетический обмены прочно коррелируют между собой, в связи с тем, что синтез органических веществ происходит в процессе пластического обмена, а для этого нужна именно энергия АТФ; в процессе обмена энергии органические вещества разлагаются, и высвобождается АТФ, а затем используется для синтеза.
Получение энергии организмами осуществляется в процессе питания, затем высвобождают ее и переводят в форму, доступную главным образом в процессе дыхания. По способу питания все организмы подразделяются на автотрофные и гетеротрофные. Автотрофы способны к самостоятельному синтезу органических веществ из неорганических, а гетеротрофные организмы поглощают уже готовые органические вещества.
Ассимиляция — биосинтез макромолекул, свойственных клеткам организма. Растения и многие бактерии могут создавать молекулы глюкозы из углекислого газа и воды. На этот процесс расходуется и запасается энергия. Животным необходимы готовые молекулы белков, жиров и углеводов (БЖУ). Это важнейший строительный и энергетический материал для клеток.
Ассимиляция — это совокупность процессов создания структур организма с накоплением энергии.
Значение метаболизма:
- Поступление из внешней среды веществ, необходимых для организма;
- Превращение питательных веществ в соединения, которые могут использоваться клетками и тканями;
- Синтез структурных элементов клеток, ферментов и т.д., замена устаревшим новыми;
- Синтез более сложных соединений из более простых;
- Отложение запасов.
Чтобы организм мог усвоить вещества из пищи, они должны быть сначала разобраны на «кирпичики» или мономеры. Из них в организме «собираются» собственные макромолекулы.
Диссимиляция — распад веществ, противоположный ассимиляции (биосинтезу). Белки гидролизуются до аминокислот. При распаде жиров выделяются жирные кислоты и глицерин. Сложные углеводы разлагаются на простые сахара.
Ассимиляция и диссимиляция происходят согласованно. Распад и окисление веществ с выделением энергии возможны лишь тогда, когда есть субстрат — макромолекулы. Они разлагаются на мономеры, которые участвуют в биосинтезе. Выделяющаяся при диссимиляции энергия затрачивается на образование свойственных организму веществ.
Стадии энергетического обмена
Несмотря на сложность реакций обмена энергии, он разделяется на три фазы:
- подготовительная,
- анаэробная (без кислорода),
- аэробная (кислород).
На подготовительном этапе происходит разложение молекул гликанов, липидов, белков, нуклеиновых кислот на более простые, к примеру, на глюкозу, глицерин и жирные кислоты, аминокислоты, нуклеотиды. Эта фаза может осуществляться непосредственно в клетках или в кишечнике, откуда эти вещества переносятся кровотоком.
В анаэробной фазе энергетического катаболизма в дальнейшем происходит расщепление мономеров органических соединений до более простых промежуточных соединений, к примеру, пировиноградной кислоты или пирувата. Он не нуждается в присутствии кислорода, и для организмов, живущих в болотном иле, это единственный способ получить энергию. Анаэробная фаза энергетического обмена проходит в цитоплазме.
Некоторые вещества подвергаются бескислородному расщеплению, при этом глюкоза, чаще всего, остается основным субстратом реакций. Процесс его свободного от кислорода распада принято называть гликолизом. Вследствие гликолиза, молекула глюкозы теряет четыре атома водорода, то есть она окисляется, и образуются две молекулы пировиноградной кислоты, две молекулы АТФ и две молекулы переносчика водорода, восстановленного НАДH + H +:
С6Н12О6+2Н3РО4+2АДФ+2НАД→2С3Н4О3+2АТФ+2НАДН+Н++2Н2О.
Образование АТФ из АДФ осуществляется за счет прямого переноса фосфат-аниона из предварительно фосфорилированного сахара и называется субстратным фосфорилированием.
Аэробная фаза энергетического катаболизма может происходить только в присутствии кислорода, тогда как промежуточные продукты, образующиеся при бескислородном разложении, окисляются до конечных продуктов (углекислого газа и воды), и большая часть энергии, хранящейся в химических связях органических соединений, высвобождается. В молекулу АТФ входит 36 макроэргических связей. Эта стадия имеет такое название, как тканевое дыхание. Когда кислород отсутствует, происходит преобразование промежуточных продуктов обмена веществ в определённые органические вещества, данный процесс принято называть ферментацией или брожением.
Брожение и дыхание
Брожение и дыхание это две различные формы диссимиляции — разложения веществ в организме для получения энергии.
Брожение
Примеры процессов брожения известны из повседневной жизни, производственной деятельности.
- Спиртовое брожение заключается в метаболическом превращении углеводов микроорганизмами, преимущественно дрожжами. В результате образуется этиловый спирт, АТФ и вода, выделяется углекислый газ. Энергию микроорганизмы используют для жизнедеятельности, деления клеток. Спиртовое брожение используется в производстве алкогольных напитков. Пекарские дрожжи в хлебопечении тоже перерабатывают углеводы на этанол и углекислый газ, разрыхляющий тесто.
- Молочнокислое брожение завершается образованием молекул молочной кислоты, АТФ, водорода и воды. Так скисает молоко, получается пахта, йогурт, сметана, творог. (Рисунок 1). Этот же тип брожения происходит при квашении капусты. Молочнокислые бактерии уменьшают рН субстрата, создают кислую среду. Они не нуждаются в кислороде, но выживают и в кислородной среде.
- Уксуснокислое брожение приводит к изменениям сока, вина. Сначала, в результате спиртового брожения, вырабатывается этанол. Затем, уксуснокислые бактерии перерабатывают спирт на органические кислоты, в основном яблочную, лимонную, молочную. Так получают натуральный уксус из плодово-ягодного сырья.
Во всех случаях брожения микроорганизмы изменяют углеводы и производят макроэнергетическое вещество — АТФ. Для этого процесса не требуется кислород, что является важнейшим отличием от дыхания. Общий признак — химическая энергия связей в молекуле глюкозы преобразуется в энергию в форме АТФ, которая используется для жизненных процессов.
Брожение — древнейший и не самый совершенный способ выработки энергии. Из одной молекулы глюкозы образуется 2 молекулы АТФ. Кислородный процесс более эффективен в плане получения энергии.
Организмы, которым необходим кислород для дыхания, являются аэробами (в переводе с греческого «аэр» — воздух). Внешняя сторона процесса заключается в поглощении кислорода из воздуха и выделении диоксида углерода.
Молекулы О2 попадают в организм насекомых через трахеи. Для рыб характерно жаберное дыхание, для млекопитающих — легочное. Переносят кислород к органам и транспортируют диоксид углерода красные кровяные клетки, содержащие гемоглобин.
При отсутствии кислорода начинает происходить ферментация. Ферментация является эволюционно более ранним способом генерирования энергии, чем дыхание, но она менее энергетически выгодна, потому что ферментация производит органическое вещество, которое все еще богато энергией. Различают несколько основных видов брожения: уксусно – кислое, спиртовое, маслянокислое, молочнокислое, метановое и др.
Стало быть, в скелетных мышцах в отсутствие кислорода во время ферментации пировиноградная кислота восстанавливается до молочной кислоты, тогда как ранее образованные восстановительные эквиваленты расходуются, и остаются только две молекулы АТФ:
2С3Н4О3 + 2НАДН+Н+ → 2С3Н6О3 + 2НАД.
При ферментации с дрожжами пировиноградная кислота в присутствии кислорода преобразуется в этиловый спирт и окись углерода (IV):
С3Н4О3 + НАДН+Н+ → С2Н5ОН + СО2↑ + НАД+.
Во время ферментации с использованием микроорганизмов пируват также может образовывать уксусную, масляную, муравьиную кислоты и так далее.
Энергия АТФ, которая образуется вследствие энергетического обмена, используется клеткой на различные виды работ:
- Химическая работа включает в себя биосинтез белков, липидов, углеводов, нуклеиновых кислот и других важных соединений.
- Осмотическая работа включает процессы поглощения и удаления веществ из клетки, находящиеся во внеклеточном пространстве в более высоких концентрациях, чем в самой клетке.
- Электрическая работа неразрывно связана с осмотической, ведь именно из – за перемещения заряженных частиц через мембраны формируется заряд мембраны и приобретаются свойства возбудимости и проводимости.
- Механическая работа связана с передвижением веществ и структур во внутриклеточном пространстве и непосредственно клетки в целом.
- К регуляторной работе относят все процессы, которые направлены на координировании процессуальных действий в клетке.
Дыхание
Кислородное дыхание производится в митохондриях, где пировиноградная кислота вначале теряет один атом углерода, что сопровождается синтезом одного восстанавливающего эквивалента молекул НАДН+Н+ и ацетилкофермента A (ацетил-КоА):
С3Н4О3 + НАД+Н ~ КоА → СН3СО ~ КоА + НАДН+Н+ + СО2↑.
Ацетил-КоА в митохондриальном матриксе участвует в цепочке химических превращений, которые в совокупности называются циклом Кребса (цикл трикарбоновых кислот, цикл лимонной кислоты). Во время этих превращений образуются две молекулы АТФ, ацетил-КоА полностью окисляется до диоксида углерода, а его ионы водорода и электроны присоединяются к водородным векторам НАДН+Н+ и НАДh3. Носители переносят протоны и электроны водорода во внутренние митохондриальные мембраны, которые образуют гребни. При помощи белков-носителей протоны водорода вводятся в межмембранное пространство, а электроны переносятся через, так называемую, дыхательную цепь энзимов, которые расположены во внутренней митохондриальной мембране, и разряжаются в атомы кислорода:
O2 + 2e− → O2−.
Важно то, что в дыхательной цепи имеются белки, содержащие железо и серу.
Протоны водорода переносятся из межмембранного пространства в митохондриальный матрикс благодаря специальным ферментам, АТФ-синтетаз, а энергия, выделенная в результате этого процесса, используется для синтеза 34 молекул АТФ из каждой молекулы глюкозы. Этот процесс называется окислительным фосфорилированием. В митохондриальной матрице протоны водорода, прореагировавшие с радикалами кислорода с образованием воды:
4H+ + O2−→ 2H2O.
Набор кислородных дыхательных реакций можно выразить таким уравнением:
2С3Н4О3 + 6О2 + 36Н3РО4 + 36АДФ → 6СО2↑ + 38Н2О + 36АТФ.
Общее уравнение дыхания выглядит следующим образом:
С6Н12О6 + 6О2 + 38Н3РО4 + 38АДФ → 6СО2↑ + 40Н2О + 38АТФ.
Таким образом, клеточное дыхание в организме человека происходит поэтапно. Гликолиз сопровождается образованием 8 молекул АТФ (2 из них расходуются). Окислительное декарбоксилирование «дает» 6 АТФ, цикл Кребса — 24 АТФ. Итого, разложение молекулы глюкозы приводит к созданию 38 молекул АТФ. Аэробное дыхание — более совершенный способ получения и накопления энергии.
Гипотеза фагоцителлы И. И. Мечникова завоевала широкое признание и нашла дальнейшее развитие в трудах многих современных учёных.
16. Обмен веществ и превращение энергии. Энергетический обмен
Вспомните!
Что такое метаболизм?
Из каких двух взаимосвязанных процессов он состоит?
Где в организме человека происходит расщепление большей части органических веществ, поступающих с пищей?
Обмен веществ и энергии. Главным условием жизни любого организма является обмен веществ и энергии с окружающей средой. В каждой клетке непрерывно происходят сложнейшие процессы, которые направлены на поддержание и обеспечение нормальной жизнедеятельности самой клетки и организма в целом. Синтезируются сложные высокомолекулярные соединения: из аминокислот образуются белки, из простых сахаров – полисахариды, из нуклеотидов – нуклеиновые кислоты. Клетки делятся и образуют новые органоиды, из клетки и в клетку активно транспортируются различные вещества. По нервным волокнам передаются электрические импульсы, сокращаются мышцы, поддерживается постоянная температура тела – на всё это, а также на многие другие процессы, протекающие в организме, требуется энергия. Эта энергия образуется при расщеплении органических веществ. Совокупность реакций расщепления высокомолекулярных соединений, которые сопровождаются выделением и запасанием энергии, называют энергетическим обменом или диссимиляцией. В основном энергия запасается в виде универсального энергоёмкого соединения – АТФ.
Аденозинтрифосфорная кислота (АТФ) – нуклеотид, состоящий из азотистого основания (аденина), сахара рибозы и трёх остатков фосфорной кислоты (рис. 53). АТФ является главной энергетической молекулой клетки, своего рода аккумулятором энергии. Все процессы в живых организмах, требующие затрат энергии, сопровождаются превращением молекулы АТФ в АДФ (аденозиндифосфорную кислоту). При отщеплении остатка фосфорной кислоты высвобождается большое количество энергии – 40 кДж/моль. Таких высокоэнергетических (так называемых макроэргических) связей в молекуле АТФ две. Восстановление структуры АТФ из АДФ и фосфорной кислоты происходит в митохондриях и сопровождается поглощением энергии.
Запас органических веществ, которые организм расходует для получения энергии, должен постоянно пополняться или за счёт пищи, как это происходит у животных, или путём синтеза из неорганических веществ (растения). Совокупность всех процессов биосинтеза, протекающих в живых организмах, называют пластическим обменом или ассимиляцией. Пластический обмен всегда сопровождается поглощением энергии. Основными процессами пластического обмена являются биосинтез белка (§ 13) и фотосинтез (§ 17).
Рис. 53. Строение молекулы АТФ (знаком «~» обозначена макроэргическая связь)
Итак, в процессе энергетического обмена расщепляются органические соединения и запасается энергия, а во время пластического обмена расходуется энергия и синтезируются органические вещества. Реакции энергетического и пластического обмена находятся в неразрывной связи, образуя в совокупности единый процесс – обмен веществ и энергии, или метаболизм. Метаболизм непрерывно осуществляется во всех клетках, тканях и органах, поддерживая постоянство внутренней среды организма – гомеостаз.
Энергетический обмен. Большинству организмов на нашей планете для жизнедеятельности необходим кислород. Такие организмы называют аэробными. Энергетический обмен у аэробов происходит в три этапа: подготовительный, бескислородный и кислородный. При наличии кислорода органические вещества в процессе дыхания полностью окисляются до углекислого газа и воды, в результате чего запасается большое количество энергии.
Анаэробные организмы способны обходиться без кислорода. Для некоторых из них кислород вообще губителен, поэтому они живут там, где кислорода нет совсем, как, например, возбудитель столбняка. Другие, так называемые факультативные анаэробы, могут существовать как без кислорода, так и в его присутствии. Энергетический обмен у анаэробных организмов происходит в два этапа: подготовительный и бескислородный, поэтому органические вещества окисляются не полностью и энергии запасается гораздо меньше.
Рассмотрим три этапа энергетического обмена (рис. 54).
Подготовительный этап. Этот этап осуществляется в желудочно-кишечном тракте и в лизосомах клеток. Здесь высокомолекулярные соединения под действием пищеварительных ферментов распадаются до более простых, низкомолекулярных: белки – до аминокислот, полисахариды – до моносахаридов, жиры – до глицерина и жирных кислот. Энергия, которая выделяется при этих реакциях, не запасается, а рассеивается в виде тепла. Низкомолекулярные вещества, образующиеся на подготовительном этапе, могут использоваться организмом для синтеза своих собственных органических соединений, т. е. вступать в пластический обмен или расщепляться дальше с целью запасания энергии.
Рис. 54. Этапы энергетического обмена
Бескислородный этап. Второй этап протекает в цитоплазме клеток, где происходит дальнейшее расщепление простых органических веществ. Аминокислоты, образованные на первом этапе, организм не использует на следующих этапах диссимиляции, потому что они необходимы ему в качестве материала для синтеза собственных белковых молекул. Поэтому для получения энергии белки расходуются очень редко, обычно только в том случае, когда остальные резервы (углеводы и жиры) уже исчерпаны. Обычно самым доступным источником энергии в клетке является глюкоза.
Сложный многоступенчатый процесс бескислородного расщепления глюкозы на втором этапе энергетического обмена называют гликолизом (от греч. glycos – сладкий и lysis – расщепление).
В результате гликолиза глюкоза расщепляется до более простых органических соединений (глюкоза С6Н12О6 → пировиноградная кислота С3Н4О3). При этом выделяется энергия, 60 % которой рассеивается в виде тепла, а 40 % используется для синтеза АТФ. При расщеплении одной молекулы глюкозы образуется две молекулы АТФ и две молекулы пировиноградной кислоты. Таким образом, на втором этапе диссимиляции организм начинает запасать энергию.
Дальнейшая судьба пировиноградной кислоты зависит от присутствия кислорода в клетке. Если кислород есть, то пировиноградная кислота поступает в митохондрии, где происходит её полное окисление до СО2 и Н2О и осуществляется третий, кислородный этап энергетического обмена (см. ниже).
При отсутствии кислорода происходит так называемое анаэробное дыхание, которое часто называют брожением. В клетках дрожжей в процессе спиртового брожения пировиноградная кислота (ПВК) превращается в этиловый спирт (ПВК → Этиловый спирт + СО2).
При молочнокислом брожении из ПВК образуется молочная кислота. Этот процесс может происходить не только у молочнокислых бактерий. При напряжённой физической работе в клетках мышечной ткани человека возникает нехватка кислорода, в результате чего образуется молочная кислота, накопление которой вызывает чувство усталости, боль и иногда даже судороги.
Кислородный этап. На третьем этапе продукты, образовавшиеся при бескислородном расщеплении глюкозы, окисляются до углекислого газа и воды. При этом освобождается большое количество энергии, значительная часть которой используется для синтеза АТФ. Этот процесс протекает в митохондриях и называется клеточным дыханием. В ходе клеточного дыхания при окислении двух молекул ПВК выделяется энергия, запасаемая организмом в виде 36 молекул АТФ.
Итак, в процессе энергетического обмена при полном окислении одной молекулы глюкозы до углекислого газа и воды образуется 38 молекул АТФ (2 молекулы – в процессе гликолиза и 36 – в процессе клеточного дыхания в митохондриях):
С6Н12О6 + 6О2 + 38АДФ + 38Ф 6СО2 → 6Н2О + 38АТФ.
В анаэробных условиях эффективность энергетического обмена значительно ниже – всего 2 молекулы АТФ. Продукты брожения (этиловый спирт, молочная кислота, масляная кислота) в своих химических связях сохраняют ещё много энергии, т. е. более выгодным в энергетическом отношении является кислородный путь диссимиляции. Но исторически брожение – более древний процесс. Он мог осуществляться ещё тогда, когда в атмосфере древней Земли отсутствовал свободный кислород.
Получение энергии организмом.
Энергетическая ценность различных пищевых продуктов сильно отличается. Здоровые люди достигают сбалансированности своей диеты потреблением самой разнообразной пищи. Очевидно, что, чем более активный образ жизни ведет человек, тем больше он нуждается в пище, или тем более энергоемкой она должна быть.Пищевые источники энергии.
Всю необходимую для жизнедеятельности энергию человек получает вместе с пищей. Единицей измерения энергии является калория. Одна калория – это количество тепла, необходимое для нагрева 1 кг воды на 1°С. Большую часть энергии мы получаем из следующих питательных веществ:
– Углеводы – 4ккал (17кДж) на 1г
– Белки (протеин) – 4ккал (17кДж) на 1г
– Жиры – 9ккал (37кДж) на 1г
Углеводы (сахара и крахмал) являются важнейшим источником энергии, больше всего их содержится в хлебе, рисе и макаронах. Хорошими источниками протеина служат мясо, рыба и яйца. Сливочное и растительное масло, а также маргарин почти полностью состоят из жирных кислот. Волокнистая пища, а также алкоголь также дают организму энергию, но уровень их потребления сильно отличается у разных людей.
Витамины и минералы сами по себе не дают организму энергию, однако, они принимают участие в важнейших процессах энергообмена в организме.
Самым важным источником энергии для человека являются углеводы. Сбалансированная диета обеспечивает организм разными видами углеводов, но большая часть энергии должна поступать из крахмала. В последние годы немало внимания уделялось изучению связи между компонентами питания людей и различными болезнями. Исследователи сходятся во мнении, что людям необходимо уменьшать потребление жирной пищи в пользу углеводов.
Каким образом мы получаем энергию из пищи?
После того, как пища проглатывается, она некоторое время находится в желудке. Там под воздействием пищеварительных соков начинается ее переваривание. Этот процесс продолжается в тонком кишечнике, в результате компоненты пищи распадаются на более мелкие единицы, и становится возможной их абсорбция через стенки кишечника в кровь. После этого организм может использовать питательные вещества на производство энергии, которая вырабатывается и хранится в виде аденозин трифосфат (АТФ).
Молекула АТФ из аденозина и трех фосфатных групп, соединенных в ряд. Запасы энергии «сосредоточены» в химических связях между фосфатными группами. Чтобы высвободить эту потенциальную энергию одна фосфатная группа должна отсоединиться, т.е. АТФ распадается до АДФ (аденозин дифосфат) с выделением энергии.
В каждой клетке содержится очень ограниченное количество АТФ, которое обычно расходуется за считанные секунды. Для восстановления АДФ до АТФ требуется энергия, которая и получается в процессе окисления углеводов, протеина и жирных кислот в клетках.
Запасы энергии в организме.
После того, как питательные вещества абсорбируются в организме, некоторая их часть откладывается в запас как резервное топливо в виде гликогена или жира.
Гликоген также относится к классу углеводов. Запасы его в организме ограничены и хранятся в печени и мышечной ткани. Во время физических нагрузок гликоген распадается до глюкозы, и вместе с жиром и глюкозой, циркулирующей в крови, обеспечивает энергией работающие мышцы. Пропорции расходуемых питательных веществ зависят от типа и продолжительности физических упражнений.
Гликоген состоит из молекул глюкозы, соединенных в длинные цепочки. Если запасы гликогена в организме в норме, то избыточные углеводы, поступающие в организм, будут превращаться с жир.
Обычно протеин и аминокислоты не используются в организме как источники энергии. Однако при дефиците питательных веществ на фоне повышенных энергозатрат аминокислоты, содержащиеся в мышечной ткани, могут также расходоваться на энергию. Протеин, поступающий с пищей, может служить источником энергии и превращаться в жир в том случае, если потребности в нем, как в строительном материале, полностью удовлетворены.
Олимпийский центр спортивного питания
Энергетическая ценность различных пищевых продуктов сильно отличается. Здоровые люди достигают сбалансированности своей диеты потреблением самой разнообразной пищи. Очевидно, что, чем более активный образ жизни ведет человек, тем больше он нуждается в пище, или тем более энергоемкой она должна быть.
Пищевые источники энергии.
Всю необходимую для жизнедеятельности энергию человек получает вместе с пищей. Единицей измерения энергии является калория. Одна калория – это количество тепла, необходимое для нагрева 1 кг воды на 1°С. Большую часть энергии мы получаем из следующих питательных веществ:
– Углеводы – 4ккал (17кДж) на 1г
– Белки (протеин) – 4ккал (17кДж) на 1г
– Жиры – 9ккал (37кДж) на 1г
Углеводы (сахара и крахмал) являются важнейшим источником энергии, больше всего их содержится в хлебе, рисе и макаронах. Хорошими источниками протеина служат мясо, рыба и яйца. Сливочное и растительное масло, а также маргарин почти полностью состоят из жирных кислот. Волокнистая пища, а также алкоголь также дают организму энергию, но уровень их потребления сильно отличается у разных людей.
Витамины и минералы сами по себе не дают организму энергию, однако, они принимают участие в важнейших процессах энергообмена в организме.
Самым важным источником энергии для человека являются углеводы. Сбалансированная диета обеспечивает организм разными видами углеводов, но большая часть энергии должна поступать из крахмала. В последние годы немало внимания уделялось изучению связи между компонентами питания людей и различными болезнями. Исследователи сходятся во мнении, что людям необходимо уменьшать потребление жирной пищи в пользу углеводов.
Каким образом мы получаем энергию из пищи?
После того, как пища проглатывается, она некоторое время находится в желудке. Там под воздействием пищеварительных соков начинается ее переваривание. Этот процесс продолжается в тонком кишечнике, в результате компоненты пищи распадаются на более мелкие единицы, и становится возможной их абсорбция через стенки кишечника в кровь. После этого организм может использовать питательные вещества на производство энергии, которая вырабатывается и хранится в виде аденозин трифосфат (АТФ).
Молекула АТФ из аденозина и трех фосфатных групп, соединенных в ряд. Запасы энергии «сосредоточены» в химических связях между фосфатными группами. Чтобы высвободить эту потенциальную энергию одна фосфатная группа должна отсоединиться, т.е. АТФ распадается до АДФ (аденозин дифосфат) с выделением энергии.
В каждой клетке содержится очень ограниченное количество АТФ, которое обычно расходуется за считанные секунды. Для восстановления АДФ до АТФ требуется энергия, которая и получается в процессе окисления углеводов, протеина и жирных кислот в клетках.
Запасы энергии в организме.
После того, как питательные вещества абсорбируются в организме, некоторая их часть откладывается в запас как резервное топливо в виде гликогена или жира.
Гликоген также относится к классу углеводов. Запасы его в организме ограничены и хранятся в печени и мышечной ткани. Во время физических нагрузок гликоген распадается до глюкозы, и вместе с жиром и глюкозой, циркулирующей в крови, обеспечивает энергией работающие мышцы. Пропорции расходуемых питательных веществ зависят от типа и продолжительности физических упражнений.
Гликоген состоит из молекул глюкозы, соединенных в длинные цепочки. Если запасы гликогена в организме в норме, то избыточные углеводы, поступающие в организм, будут превращаться с жир.
Обычно протеин и аминокислоты не используются в организме как источники энергии. Однако при дефиците питательных веществ на фоне повышенных энергозатрат аминокислоты, содержащиеся в мышечной ткани, могут также расходоваться на энергию. Протеин, поступающий с пищей, может служить источником энергии и превращаться в жир в том случае, если потребности в нем, как в строительном материале, полностью удовлетворены.
Олимпийский центр спортивного питания
2. Энергетический обмен (катаболизм, диссимиляция)
Универсальным источником энергии во всех клетках служит АТФ (аденозинтрифосфат, или аденозинтрифосфорная кислота).
Все энергетические затраты любой клетки обеспечиваются за счёт универсального энергетического вещества — АТФ.
АТФ синтезируется в результате реакции фосфорилирования, то есть присоединения одного остатка фосфорной кислоты к молекуле АДФ (аденозиндифосфата):
АДФ + h4PO4+ 40 кДж = АТФ + h3O.
Энергия запасается в форме энергии химических связей АТФ. Химические связи АТФ, при разрыве которых выделяется много энергии, называются макроэргическими.
При распаде АТФ до АДФ клетка за счёт разрыва макроэргической связи получит приблизительно \(40\) кДж энергии.
Энергия для синтеза АТФ из АДФ выделяется в процессе диссимиляции.
Энергетический обмен (диссимиляция, катаболизм) — это совокупность химических реакций постепенного распада органических соединений, сопровождающихся высвобождением энергии, часть которой расходуется на синтез АТФ.
В зависимости от среды обитания организма, диссимиляция может проходить в два или в три этапа.
Процессы расщепления органических соединений у аэробных организмов происходят в три этапа: подготовительный, бескислородный и кислородный.
В результате этого органические вещества распадаются до простейших неорганических соединений.
У анаэробных организмов, обитающих в бескислородной среде и не нуждающихся в кислороде (а также у аэробных организмов при недостатке кислорода), диссимиляция происходит в два этапа: подготовительный и бескислородный.
В двухэтапном энергетическом обмене энергии запасается гораздо меньше, чем в трёхэтапном.
Первый этап — подготовительный
Подготовительный этап заключается в распаде крупных органических молекул до более простых: полисахаридов — до моносахаридов, липидов — до глицерина и жирных кислот, белков — до аминокислот.
Этот процесс называется пищеварением. У многоклеточных организмов он осуществляется в желудочно-кишечном тракте с помощью пищеварительных ферментов. У одноклеточных организмов — происходит под действием ферментов лизосом.
В ходе биохимических реакций, происходящих на этом этапе, энергии выделяется мало, она рассеивается в виде тепла, и АТФ не образуется.
Второй этап — бескислородный (гликолиз)
Второй (бескислородный) этап заключается в ферментативном расщеплении органических веществ, которые были получены в ходе подготовительного этапа. Кислород в реакциях этого этапа не участвует.
Биологический смысл второго этапа заключается в начале постепенного расщепления и окисления глюкозы с накоплением энергии в виде \(2\) молекул АТФ.
Процесс бескислородного расщепления глюкозы называется гликолиз.
Гликолиз происходит в цитоплазме клеток.
Он состоит из нескольких последовательных реакций превращения молекулы глюкозы C6h22O6 в две молекулы пировиноградной кислоты — ПВК C3h5O3 и две молекулы АТФ (в виде которой запасается примерно \(40\) % энергии, выделившейся при гликолизе). Остальная энергия (около \(60\) %) рассеивается в виде тепла.
C6h22O6+2h4PO4+2АДФ=2C3h5O3+2АТФ +2h3O.
Получившаяся пировиноградная кислота при недостатке кислорода в клетках животных, а также клетках многих грибов и микроорганизмов, превращается в молочную кислоту C3H6O3.
HOOC−CO−Ch4пировиноградная кислота→НАД⋅H+H+лактатдегидрогеназаHOOC−CHOH−Ch4молочная кислота.
В мышцах человека при больших нагрузках и нехватке кислорода образуется молочная кислота и появляется боль. У нетренированных людей это происходит быстрее, чем у людей тренированных.
При недостатке кислорода в клетках растений, а также в клетках некоторых грибов (например, дрожжей), вместо гликолиза происходит спиртовое брожение: пировиноградная кислота распадается на этиловый спирт C2H5OH и углекислый газ CO2:
C6h22O6+2h4PO4+2АДФ=2C2H5OH+2CO2+2АТФ+2h3O.
Третий этап — кислородный
В результате гликолиза глюкоза распадается не до конечных продуктов (CO2 и h3O), а до богатых энергией соединений (молочная кислота, этиловый спирт) которые, окисляясь дальше, могут дать её в больших количествах. Поэтому у аэробных организмов после гликолиза (или спиртового брожения) следует третий, завершающий этап энергетического обмена — полное кислородное расщепление, или клеточное дыхание.
Этот этап происходит на кристах митохондрий.
Третий этап, так же как и гликолиз, является многостадийным и состоит из двух последовательных процессов — цикла Кребса и окислительного фосфорилирования.
Третий (кислородный) этап заключается в том, что при кислородном дыхании ПВК окисляется до окончательных продуктов — углекислого газа и воды, а энергия, выделяющаяся при окислении, запасается в виде \(36\) молекул АТФ (\(2\) молекулы в цикле Кребса и \(34\) молекулы в ходе окислительного фосфорилирования).
Этот этап можно представить себе в следующем виде:
2C3h5O3+6O2+36h4PO4+36АДФ=6CO2+42h3O+36АТФ.
Вспомним, что ещё две молекулы АТФ запасаются в ходе бескислородного расщепления каждой молекулы глюкозы (на втором, бескислородном, этапе). Таким образом, в результате полного расщепления одной молекулы глюкозы образуется \(38\) молекул АТФ.
Суммарная реакция энергетического обмена:
C6h22O6+6O2=6CO2+6h3O+38АТФ.
Для получения энергии в клетках, кроме глюкозы, могут быть использованы и другие вещества: липиды, белки. Однако ведущая роль в энергетическом обмене у большинства организмов принадлежит сахарам.
Источники:
Каменский А. А., Криксунов Е. А., Пасечник В. В. Биология. 9 класс // ДРОФА.
Каменский А. А., Криксунов Е. А., Пасечник В. В. Биология. Общая биология (базовый уровень) 10–11 класс // ДРОФА.
Лернер Г. И. Биология: Полный справочник для подготовки к ЕГЭ: АСТ, Астрель.
Между организмом и окружающей его средой непрерывно происходит обмен веществ и энергии.
Обмен веществ начинается с поступления в организм воды и пищевых продуктов. В пищеварительном канале часть веществ с помощью ферментов расщепляется до более простых, которые всасываются в кишечнике и переходят в кровь (и с кровью вещества переносятся к клеткам тела). В клетках происходят процессы их химических превращений (клеточный метаболизм), в ходе которых организм получает энергию и материалы, необходимые ему для построения собственных клеток и тканей.Не использованные в результате превращений веществ остатки и продукты жизнедеятельности (продукты распада) выводятся из организма (с мочой, калом, потом и выдыхаемым воздухом).
Пластический и энергетический обмен
Обмен веществ в организме — это не просто постоянный ток веществ через его основные структуры, а совокупность всех химических реакций, происходящих в организме. Все реакции, связанные с превращением веществ, можно отнести к двум процессам: пластическому и энергетическому обмену.
Пластический обмен (ассимиляция, или анаболизм) — совокупность реакций синтеза органических веществ в клетке с использованием (затратой) энергии.
В процессах энергетического обмена (диссимиляции, или катаболизма, или биологического окисления) происходит разрушение (распад) полученных с пищей питательных веществ до простых соединений с высвобождением энергии, запасённой в химических связях органических молекул пищи.
В здоровом организме оба процесса строго сбалансированы (хотя в период быстрого роста ассимиляция может временно преобладать над диссимиляцией).
Основными видами обмена веществ являются белковый, углеводный, жировой и водно-солевой обмены.
90000 Ketosis: Symptoms, diet, and more 90001 90002 If you buy something through a link on this page, we may earn a small commission. How this works. 90003 90002 Ketosis is a metabolic process. When the body does not have enough glucose for energy, it burns stored fats instead. This results in a buildup of acids called ketones within the body. 90003 90002 Some people encourage ketosis by following a diet called the ketogenic, or keto, diet. This diet, which is very low in carbohydrates, aims to burn unwanted fat by forcing the body to rely on fat for energy, rather than carbs.90003 90002 Ketosis also commonly occurs in people with diabetes, as the process can occur if the body does not have enough insulin or is not using insulin correctly. 90003 90002 Health problems associated with extreme ketosis, such as diabetic ketoacidosis (DKA), are more likely to develop in people with type 1 diabetes than people with type 2 diabetes. 90003 90002 This article explains how ketosis works, what the keto diet is, and the possible effects of ketosis in people with diabetes. Read on to learn more.90003 90002 In normal circumstances, the body’s cells use glucose as their primary form of energy. People can typically obtain glucose from dietary carbs, including sugars and starchy foods. 90003 90002 The body breaks these down into simple sugars. Afterward, it either uses glucose as fuel or stores it in the liver and muscles as glycogen. 90003 90002 If there is not enough glucose available to provide enough energy, the body will adopt an alternative strategy to meet those needs. Specifically, it begins to break down fat stores and use glucose from triglycerides.90003 90002 Ketones are a byproduct of this process. These are acids that build up in the blood and leave the body in the urine. In small amounts, they indicate that the body is breaking down fat. However, high levels of ketones can poison the body, leading to a condition called ketoacidosis. 90003 90002 Ketosis refers to the metabolic state in which the body converts fat stores into energy, releasing ketones in the process. 90003 90002 As ketosis breaks down fat stores in the body, some keto diets aim to facilitate weight loss by creating this metabolic state.90003 90002 Keto diets are usually high in fat. For example, 20% of the calories may be protein, 10% may be carbs, and 70% may come from fat. 90003 90002 However, there are different versions. The nutrient proportions will depend on the version of the diet a person follows. 90003 90002 Adhering to the keto diet can lead to short-term weight loss. This is partly because people are usually able to consume fewer calories without feeling hungry. 90003 90002 The keto diet could reduce a person’s risk of developing several health conditions, including: 90003 90034 90035 cardiovascular disease 90036 90035 diabetes 90036 90035 metabolic syndrome 90036 90041 90002 It may also improve levels of high-density lipoprotein, or «good,» cholesterol more effectively than other moderate-carb diets.90003 90002 These health benefits may occur due to the loss of excess weight and the inclusion of more healthful foods in the diet, rather than the reduction in carbs. 90003 90002 Doctors have also prescribed the keto diet to reduce the number of seizures in children with epilepsy who do not respond to other forms of treatment. 90003 90002 Some studies have suggested that the diet could also benefit adults with epilepsy, though more research is necessary to confirm these findings. 90003 90002 However, sticking to the keto diet on a long-term basis does not appear to provide many benefits.90003 90002 Researchers are now studying other conditions to see if a keto diet might be beneficial, including: 90003 90002 In people with diabetes, ketosis can occur due to a person not having enough insulin to process glucose in the body. The presence of ketones in the urine indicates that a person needs to work on better controlling their diabetes. 90003 90002 Some dietitians recommend a keto diet for people with type 2 diabetes. With this condition, the body still produces some insulin, but it does not work as effectively.90003 90002 The keto diet focuses on reducing a person’s intake of dietary carbs. Those with type 2 diabetes should aim to consume fewer carbs, as these convert to glucose and increase blood sugar levels. 90003 90002 People with diabetes who follow a keto diet need to monitor their ketone levels carefully. If levels get too high, ketoacidosis can occur. 90003 90002 DKA is a condition wherein the levels of ketones become extremely high, poisoning the body. It is a severe and dangerous condition that can develop rapidly, sometimes within the space of 24 hours.90003 90002 There are several potential triggers for ketoacidosis. However, it most often occurs due to illnesses that cause higher levels of hormones that work against insulin. 90003 90002 It can also result from problems with insulin therapy, either through missing scheduled treatments or not receiving enough insulin. 90003 90002 Some less common triggers of ketoacidosis include: 90003 90034 90035 drug misuse 90036 90035 emotional trauma 90036 90035 physical trauma 90036 90035 stress 90036 90035 surgery 90036 90041 90002 Ketoacidosis most commonly occurs in people with type 1 diabetes.It can also occur in people with type 2 diabetes, though this is much less common. 90003 90002 High levels of ketones in the urine and high blood sugar levels are both signs of ketoacidosis. A person can test for ketoacidosis using a kit at home. 90003 90002 Some early symptoms of ketoacidosis include: 90003 90034 90035 abdominal pain 90036 90035 confusion and difficulty concentrating 90036 90035 dry or flushed skin 90036 90035 excessive thirst and a dry mouth 90036 90035 fruity breath 90036 90035 frequent urination 90036 90035 nausea and vomiting 90036 90035 shortness of breath or rapid breathing 90036 90041 90002 Ketosis does not usually occur in people who eat balanced diets and regular meals.Drastically reducing calorie and carb intake, exercising for extended periods, or being pregnant may trigger ketosis. 90003 90002 Although some people choose to put the body through ketosis, the risk of increased acid levels can be dangerous in those who are not controlling it. 90003 90002 In people with diabetes, ketosis and eventually DKA can occur if they do not use enough insulin, if they skip meals, or if an insulin reaction occurs. An insulin reaction usually happens while asleep. 90003 90002 Doctors consider DKA an emergency, as it can lead to a diabetic coma and even death.Emergency healthcare workers will usually administer treatment followed by hospitalization in an intensive care unit. 90003 90002 For those with diabetes, the emergency team will commonly take the following measures: 90003 90034 90035 90118 Fluid replacement: 90119 Doctors use this treatment to rehydrate the body and dilute the excess sugar in the blood. 90036 90035 90118 Electrolyte replacement: 90119 This helps a person maintain heart, muscle, and nerve cell function. Levels in the blood often drop in the absence of insulin.Electrolyte supplements are available to purchase online. 90036 90035 90118 Insulin therapy: 90119 This can help doctors reverse the processes that led to ketoacidosis. 90036 90041 90002 In otherwise healthy people, following a healthful, balanced diet and exercising regularly can help prevent ketosis. 90003 90132 Prevention 90133 90002 There are several ways a person with diabetes can prevent ketoacidosis, including: 90003 90034 90035 carefully monitoring their blood sugar levels at least three to four times per day 90036 90035 discussing insulin dosage with a specialist 90036 90035 following a diabetes treatment plan 90036 90041 90002 People with diabetes should keep an eye on their ketone levels with a test kit, particularly when ill or under stress.90003 90002 Ketosis occurs when the body starts to obtain energy from stored fat instead of glucose. 90003 90002 Many studies have demonstrated the powerful weight loss effects of a low carb, or keto, diet. However, this diet can be difficult to maintain and may cause health problems in people with certain conditions, such as type 1 diabetes. 90003 90002 DKA is a particularly dangerous complication of ketosis that can occur when ketosis makes the blood too acidic. Emergency treatment is necessary for people experiencing DKA.90003 90002 Most people can try the keto diet safely. However, it is best to discuss any significant changes to diet with a dietitian or doctor. This is especially the case in those with underlying conditions. 90003 90132 Q: 90133 90002 I’ve heard that exercising too much with diabetes can lead to DKA. How can I manage weight and stay active without increasing acid levels too far? 90003 90132 A: 90133 90002 As with any medical condition, a person should only begin an exercise program in consultation with their primary healthcare provider.Depending on the person’s age, type of diabetes, and the presence of other health issues, the American Diabetes Association recommend various types and amounts of both aerobic and strength training exercises. 90003 90002 In addition to an exercise program, a healthful diet will help a person manage weight. In general, to maintain their current weight, a person should consume and expend an equal number of calories. In order to effect weight loss, a person must be in a caloric deficit — that is, they must expend more calories than they take in.90003 90002 As always, plan any weight loss strategies with a primary healthcare provider and a registered dietitian. 90003 90166 Daniel Bubnis, M.S., NASM-CPT, NASE Level II-CSS 90167 90168 Answers represent the opinions of our medical experts. All content is strictly informational and should not be considered medical advice. 90169.90000 9 Things to Know About How the Body Uses Protein to Repair Muscle Tissue 90001 90002 When it comes to increasing muscle size or definition, you’ve probably been told that lifting weights breaks down a muscle, which then becomes stronger or bigger as a result of the repair process. But is this really true or simply another one of the common gym myths that is passed along from more seasoned veterans to newbies? 90003 90002 Well, unlike many common gym myths, this claim is actually based in fact because resistance training to the point of fatigue does indeed cause muscle damage.Specifically, that damage occurs to the proteins that comprise muscle fibers. Muscles are bundles of individual fibers wrapped in fascia and connective tissue. The smallest components of muscle fibers are the actin and myosin protein microfilaments. The sliding filament theory suggests that actin and myosin overlap, and that when they receive the signal from the central nervous system to contract, they slide across one another to create a force-producing, muscle-shortening action. 90003 90002 There are two types of overload that can stimulate muscle growth: metabolic and mechanical.Metabolic overload refers to the amount of work that a muscle performs that depletes it of its available supply of energy. As a muscle is repeatedly exercised to the point of fatigue, the muscle cells adapt to hold more glycogen for fuel. Because 1 gram of glycogen can hold on to 3 grams of water, when a muscle stores more glycogen it can increase in size due to the extra glycogen and attached water. 90003 90002 Mechanical overload refers to the structural damage that occurs to the actin-myosin protein filaments as a result of strenuous exercise like weightlifting or explosive plyometrics.The muscle damage initiates a repair process in which certain hormones, along with the macronutrient protein, synthesize new satellite cells, which are used to repair the damaged muscle fibers. In other words, the role of protein is to help repair tissues damaged by exercise. 90003 90010 90011 Read on to learn nine things about the role that protein plays to support the body during and after exercise. 90012 90013 90014 90015 In the human body, proteins are the primary structural components of cells and perform a few different duties.The primary function of the protein consumed in the diet is to build and repair cells, including the muscle cells damaged when exercising to the point of momentary fatigue. (90016 Note: 90017 Failure is not completing a repetition; fatigue is not being able to perform another repetition.) Additional roles that dietary proteins play in the body include transporting cells, serving as enzymes to support various physiological functions and acting as hormones. 90018 90015 While the primary role of protein is to repair damaged tissues, it can also be used to produce energy for muscle contractions when other sources of adenosine triphosphate (ATP, the cellular form of energy), namely fats and carbohydrates, are not available.Gluconeogenesis is the term that describes how protein is converted to glycogen for ATP. However, this only occurs as the result of moderate-to-high intensity for an extended period of time. Sport drinks contain sugar and sodium, which helps to maintain glycogen levels to avoid gluconeogenesis, sparing proteins so they can be used to repair tissues after exercise. Another option is to limit high-intensity activity to no more than 45-50 minutes to ensure an adequate supply of glycogen during exercise.90018 90015 Amino acids are the building blocks of protein. 90016 (Note: 90017 For the record, «amino» means «containing nitrogen.») There are 20 amino acids. Four are considered non-essential because the body can produce them, and nine are essential because they can not be produced in the body and must be consumed in the diet. Eight amino acids are considered conditional, because they can become essential and must be consumed in the diet. Taking amino acids before and during a workout, combined with a post-exercise recovery snack or meal containing protein, can increase muscle protein synthesis.Applying various post-exercise recovery strategies could allow your clients to train at a higher volume to reach a specific strength or performance goal. 90018 90015 Protein provides about 4 calories of energy per gram, and when protein is consumed as part of a well-balanced diet it can help provide feeling of satiety or being full. This, in turn, can reduce feelings of hunger that could lead to consuming too many calories. In addition, protein is more energy expensive, which means that it requires more energy during the digestive process compared to carbohydrates and fats.90018 90015 The body is constantly building new cells to replace old ones, and amino acids consumed in the diet support this process. The nutrition guidelines for protein consumption for the average, healthy adult are 0.8-0 grams of protein per kilogram of bodyweight (0.4-0.5 grams per pound). The recommended daily intake for a person who performs a lot of aerobic endurance training is 1.0-1.6 grams / kilogram of bodyweight (0.5-0.7 grams / pound). For those who do a lot of strength training, consuming 1.4-1.7 grams / kilogram of bodyweight (0.6-0.8 grams / pound) will support muscle protein synthesis. For example, an active 170-pound male who exercises at a moderate-to-vigorous intensity most days of the week should consume approximately 70-170 grams of protein per day. 90018 90015 Protein should comprise 15-30% of an individual’s daily caloric intake, depending on activity levels. More protein should be consumed on days that include higher-intensity activity. 90018 90015 For individuals interested in muscle growth, it’s a good idea to consume foods that are high in protein, such as lean meats, fish, eggs, chicken or milk.Soy is the only form of plant-based protein that contains all eight essential amino acids. While consuming protein is important for muscle growth, eating too much protein, while not necessarily dangerous, will simply result in the body excreting it in urine. 90018 90015 Protein should be consumed throughout the day rather than at a single meal. For example, the aforementioned 170-pound active male would be wise to consume 20-40 grams of protein at a time, distributed among three meals and two snacks.90018 90015 Of the protein stored in the body, almost half is stored in skeletal muscle, up to 15% is used for structural tissues such as skin and bone, and the remaining proteins are in tissues and organs including the kidneys and liver. 90018 90037 90002 90016 90011 Interested in learning more? Read about a few hidden sources of protein here. 90012 90017 90003 90044 .90000 Is It Possible to Target Fat Loss to Specific Body Parts? 90001 90002 Almost everyone would like to change certain parts of their body. 90003 90002 The waistline, thighs, butt and arms are common areas in which people tend to store excess body fat. 90003 90002 Achieving change through diet and exercise takes time and effort, leaving those who desire a quick fix in search of a faster solution. 90003 90002 Targeted fat loss, also known as «spot reduction,» is a type of exercise that many people turn to when trying to slim down specific areas of their bodies.90003 90002 However, there is quite a bit of controversy surrounding this method. 90003 90002 This article takes a detailed look at the science behind spot reduction. 90003 90002 The theory of spot reduction has been promoted in the health and fitness world for some time. However, there is not much evidence to support it. 90003 90002 Spot reduction is a type of targeted exercise intended to burn fat in specific body areas. 90003 90002 An example of spot reduction is exercising the triceps in order to get rid of excess fat on the back of the arms.90003 90002 This theory of targeting specific body parts is popular, leading many people to focus only on troublesome areas, rather than exercising their entire body. 90003 90002 Burning fat using this method can be particularly appealing to those who have had a hard time losing weight in the past or failed to get the results that they wanted using other methods. 90003 90024 Why Some People May Want to Reduce Fat in Certain Areas 90025 90002 There are countless reasons why people want to lose weight, including improving health and reducing the risk of chronic diseases like heart disease and diabetes (1, 2).90003 90002 Some people tend to carry excess weight proportionately, while others hold onto weight in specific areas like the butt, thighs or belly. 90003 90002 Gender, age, genetics and lifestyle all play a role in weight gain and the accumulation of stubborn areas of body fat. 90003 90002 For instance, women have a higher percentage of body fat than men do and tend to store excess fat in the thighs and butt, especially during their childbearing years. 90003 90002 However, during perimenopause and menopause, hormonal changes can cause weight to shift to the belly region (3).90003 90002 On the other hand, men are more likely to put on pounds in their midsections throughout their entire lives (4). 90003 90002 Weight gain can be very frustrating and cause many people to look for easier alternatives than going on a diet or increasing their activity levels. 90003 90002 Spot reduction is promoted as a way to quickly reduce fat in problematic areas. 90003 90002 This method appeals to the belief that working the muscles in problem areas is the best way to burn the fat in that specific spot.90003 90002 Yet, fat loss does not work that way, and there is little scientific evidence to back this claim. 90003 90046 90047 Summary 90048 Spot reduction is promoted as a way to reduce fat stores in specific areas through targeted exercises. 90049 90002 Although targeting fat loss in specific areas of the body would be ideal, the theory of spot reduction has not been proven effective by scientific studies. 90003 90024 How Fat Loss Works 90025 90002 To understand why spot reduction may not be effective, it is important to understand how the body burns fat.90003 90002 The fat in your cells is found in the form of triglycerides, which are stored fats that the body can use for energy. 90003 90002 Before they can be burned for energy, triglycerides must be broken down into smaller sections called free fatty acids and glycerol, which are able to enter the bloodstream. 90003 90002 During exercise, the free fatty acids and glycerol used as fuel can come from anywhere in the body, not specifically from the area that is being exercised. 90003 90024 The Majority of Studies Have Debunked Spot Reduction 90025 90002 Aside from not correlating with how the body burns fat, a number of studies have shown spot reduction to be ineffective.90003 90002 For example, one study in 24 people who only completed exercises targeting the abdominals for six weeks found no reduction in belly fat (5). 90003 90002 Another study that followed 40 overweight and obese women for 12 weeks found that resistance training of the abdominals had no effect on belly fat loss, compared to dietary intervention alone (6). 90003 90002 A study focusing on the effectiveness of upper body resistance training had similar results. This 12-week study included 104 participants who completed a training program that exercised only their non-dominant arms.90003 90002 Researchers found that although some fat loss did occur, it was generalized to the entire body, not the arm being exercised (7). 90003 90002 Several other studies have resulted in similar findings, concluding that spot reduction is not effective for burning fat in specific areas of the body (8, 9, 10). 90003 90002 However, a small number of studies have had conflicting results. 90003 90002 One study in 10 people found fat loss was higher in areas close to contracting muscles (11).90003 90002 Another recent study including 16 women found that localized resistance training followed by 30 minutes of cycling resulted in increased fat loss in specific areas of the body (12). 90003 90002 Although findings from these studies warrant additional research, both had potential reasons for conflicting results, including measurement techniques and a small number of participants. 90003 90002 Despite these outlier studies, most scientific evidence shows that it is not possible to lose fat in one specific area by exercising that body part alone.90003 90046 90047 Summary 90048 Most scientific evidence shows that spot reduction is not effective and that fat loss tends to be generalized to the entire body, not the body part being exercised. 90049 90002 Although spot fat reduction is most likely to be ineffective at burning fat in specific body parts, targeting troublesome areas by toning the underlying muscle can have beneficial results. 90003 90002 While you can not necessarily choose where your body loses fat, you can choose where you want to look more toned and defined.90003 90002 That being said, it’s important to combine targeted toning exercises with cardio workouts in order to burn fat. 90003 90002 It’s true that muscles are strengthened and defined by toning exercises like abdominal moves and hamstring curls. However, these exercises do not burn a ton of calories. 90003 90002 For instance, doing lots of ab exercises will result in stronger stomach muscles, but you will not see definition in that area unless you lose overall body weight. 90003 90002 This is why cardio, whole body workouts and a healthy diet are necessary to truly see results.90003 90046 90047 Summary 90048 Though targeted toning exercises will strengthen and build muscles, in order to see definition, weight must be lost through calorie-burning workouts and a healthy diet. 90049 90002 Although spot reduction may not be the best use of your time, many evidenced-based methods can help you lose fat and tone your entire body. 90003 90002 For example, high-intensity workouts and exercises that engage the entire body have been shown to be most effective at shedding pounds (13).90003 90002 The best exercises for overall fat reduction include: 90003 90112 90113 90047 Cardiovascular exercise: 90048 Cardio, such as running and cycling, uses large muscle groups and has been proven to be effective at torching calories. It may be particularly effective at melting stubborn belly fat (14). 90116 90113 90047 High-intensity interval training (HIIT): 90048 HIIT involves short periods of intense activity immediately followed by a recovery period. Studies show HIIT may be more effective at burning fat than steady-state cardio (15).90116 90113 90047 Whole-body exercises: 90048 Instead of focusing on one area of the body, whole-body exercise like burpees have been shown to burn more calories and lead to more fat loss than targeted muscle toning exercises (16). 90116 90113 90047 Combining exercises: 90048 Combining resistance training and cardiovascular exercise has been shown to be more effective at shedding pounds than just focusing on one type of exercise (17). 90116 90129 90002 High-intensity training, whole-body movements and cardiovascular exercise are very effective for losing weight and toning up.90003 90002 If you are not able to participate in the activities listed above, there are many other ways to effectively lose weight and tone up. 90003 90002 For example, low-impact exercises like swimming and walking have been shown to be extremely effective for weight loss and are easy to do (18, 19, 20). 90003 90046 90047 Summary 90048 Adding high-intensity training and cardiovascular exercise to your routine will likely result in overall fat loss. However, simple exercises like brisk walking or swimming laps can also be effective.90049 90002 While increasing overall activity and adding new exercises to your daily routine is important for weight loss and your overall health, following a healthy meal plan is key when trying to shed body fat. 90003 90002 In fact, choosing unhealthy foods or overeating can quickly undo all your hard work in the gym. 90003 90002 Studies have shown that exercise alone is not effective for weight loss unless a conscious effort is made to control calorie intake and make healthy food choices (21, 22).90003 90002 To lose weight and keep it off, combine the following diet tips with an exercise routine: 90003 90112 90113 90047 Control your portions: 90048 Keeping portion sizes in check is key when trying to lose weight. One way to reduce your food portions is to use smaller plates or measure out serving sizes to train your eye (23). 90116 90113 90047 Fill up on fiber: 90048 Foods high in fiber, such as veggies, beans, fruits and oats, make you feel fuller and can reduce overeating. Eating a fiber-rich salad before your meals is an effective way to shed pounds (24, 25).90116 90113 90047 Limit processed foods and added sugar: 90048 Cutting back on processed foods like candy, chips, cakes and fast food is a must for weight loss. Ditching sugary drinks like soda, juice and sports drinks can help as well (26, 27). 90116 90113 90047 Eat protein-rich foods: 90048 Protein helps keep you feeling full and may help reduce overeating. Studies have shown that eating a protein-rich breakfast can reduce snacking throughout the day and help you lose weight (28, 29). 90116 90129 90002 Following a healthy meal plan that includes lots of fiber, healthy fats and protein in controlled portions is a great way to slim down.90003 90002 Furthermore, in order to lose weight, it’s important to create an overall calorie deficit. Eating healthy, minimally processed foods is the best way to do this. 90003 90002 Although overeating is most often associated with unhealthy foods like cookies, chips and ice cream, it is possible to eat too many healthy foods as well. 90003 90002 This is why controlling portion sizes and having a healthy awareness of both your hunger and fullness is important. 90003 90046 90047 Summary 90048 Following a healthy meal plan and creating a calorie deficit is crucial for weight loss.Limiting processed foods, eating more protein and fiber and practicing portion control are all evidence-based ways to lose weight. 90049 90002 Many people want a quick and easy way to lose fat, especially in troublesome areas like the hips, belly, arms and thighs. 90003 90002 Spot fat reduction has been shown to be ineffective in many studies. Luckily, there are other proven ways to lose body fat and keep it off. 90003 90002 While resistance training may strengthen, build and tone muscle in a targeted area, a healthy diet and calorie-burning activities are necessary to burn fat and get a defined look.90003 90002 Ultimately, focusing on working towards a healthier, more toned body overall may be more beneficial than attempting to lose fat in one particular area. 90003 90002 With hard work and dedication in both the gym and kitchen, you can achieve your weight loss goals. 90003.90000 human nutrition | Importance, Essential Nutrients, Food Groups, & Facts 90001 90002 The human body can be thought of as an engine that releases the energy present in the foods that it digests. This energy is utilized partly for the mechanical work performed by the muscles and in the secretory processes and partly for the work necessary to maintain the body’s structure and functions. The performance of work is associated with the production of heat; heat loss is controlled so as to keep body temperature within a narrow range.Unlike other engines, however, the human body is continually breaking down (catabolizing) and building up (anabolizing) its component parts. Foods supply nutrients essential to the manufacture of the new material and provide energy needed for the chemical reactions involved. 90003 Get exclusive access to content from our тисяча сімсот шістьдесят вісім First Edition with your subscription. Subscribe today 90002 Carbohydrate, fat, and protein are, to a large extent, interchangeable as sources of energy. Typically, the energy provided by food is measured in kilocalories, or Calories.One kilocalorie is equal to 1,000 gram-calories (or small calories), a measure of heat energy. However, in common parlance, kilocalories are referred to as «calories.» In other words, a 2,000-calorie diet actually has 2,000 kilocalories of potential energy. One kilocalorie is the amount of heat energy required to raise one kilogram of water from 14.5 to 15.5 ° C at one atmosphere of pressure. Another unit of energy widely used is the joule, which measures energy in terms of mechanical work. One joule is the energy expended when one kilogram is moved a distance of one metre by a force of one newton.The relatively higher levels of energy in human nutrition are more likely to be measured in kilojoules (1 kilojoule = 10 90005 3 90006 joules) or megajoules (1 megajoule = 10 90005 6 90006 joules). One kilocalorie is equivalent to 4.184 kilojoules. 90003 90002 The energy present in food can be determined directly by measuring the output of heat when the food is burned (oxidized) in a bomb calorimeter. However, the human body is not as efficient as a calorimeter, and some potential energy is lost during digestion and metabolism.Corrected physiological values for the heats of combustion of the three energy-yielding nutrients, rounded to whole numbers, are as follows: carbohydrate, 4 kilocalories (17 kilojoules) per gram; protein, 4 kilocalories (17 kilojoules) per gram; and fat, 9 kilocalories (38 kilojoules) per gram. Beverage alcohol (ethyl alcohol) also yields energy-7 kilocalories (29 kilojoules) per gram-although it is not essential in the diet. Vitamins, minerals, water, and other food constituents have no energy value, although many of them participate in energy-releasing processes in the body.90003 90002 The energy provided by a well-digested food can be estimated if the gram amounts of energy-yielding substances (non-fibre carbohydrate, fat, protein, and alcohol) in that food are known. For example, a slice of white bread containing 12 grams of carbohydrate, 2 grams of protein, and 1 gram of fat supplies 67 kilocalories (280 kilojoules) of energy. Food composition tables (90013 see 90014 table) and food labels provide useful data for evaluating energy and nutrient intake of an individual diet.Most foods provide a mixture of energy-supplying nutrients, along with vitamins, minerals, water, and other substances. Two notable exceptions are table sugar and vegetable oil, which are virtually pure carbohydrate (sucrose) and fat, respectively. 90003 90016 90017 The energy value and nutrient content of some common foods 90018 90019 90020 90021 food 90022 90021 energy (kcal) 90022 90021 carbohydrate (g) 90022 90021 protein (g) 90022 90021 fat (g) 90022 90021 water (g) 90022 90033 90034 90035 90020 90037 Source: Jean A.T. Pennington, Bowes and Church’s Food Values of Portions Commonly Used, 17th ed. (1998). 90038 90033 90040 90041 90020 90043 whole wheat bread (1 slice, 28 g) 90038 90045 69 90038 90045 12.9 90038 90045 2.7 90038 90045 1.2 90038 90045 10.6 90038 90033 90020 90043 white bread (1 slice, 25 g) 90038 90045 67 90038 90045 12.4 90038 90045 2.0 90038 90045 0.9 90038 90045 9.2 90038 90033 90020 90043 white rice, short-grain, enriched, cooked (1 cup, 186 g) 90038 90045 242 90038 90045 53.4 90038 90045 4.4 90038 90045 0.4 90038 90045 127.5 90038 90033 90020 90043 lowfat milk (2%) (8 fl oz, 244 g) 90038 90045 121 90038 90045 11.7 90038 90045 8.1 90038 90045 4.7 90038 90045 17.7 90038 90033 90020 90043 butter (1 tsp, 5 g) 90038 90045 36 90038 90045 0 90038 90045 0 90038 90045 4.1 90038 90045 0.8 90038 90033 90020 90043 cheddar cheese (1 oz, 28 g) 90038 90045 114 90038 90045 0.4 90038 90045 7.1 90038 90045 9.4 90038 90045 10.4 90038 90033 90020 90043 lean ground beef, broiled, medium (3.5 oz, 100 g) 90038 90045 272 90038 90045 0 90038 90045 24.7 90038 90045 18.5 90038 90045 55.7 90038 90033 90020 90043 tuna, light, canned in oil, drained (3 oz, 85 g) 90038 90045 168 90038 90045 0 90038 90045 24.8 90038 90045 7.0 90038 90045 50.9 90038 90033 90020 90043 potato, boiled, without skin (1 medium, 135 g) 90038 90045 117 90038 90045 27.2 90038 90045 2.5 90038 90045 0.1 90038 90045 103.9 90038 90033 90020 90043 green peas, frozen, boiled (1/2 cup, 80 g) 90038 90045 62 90038 90045 11.4 90038 90045 4.1 90038 90045 0.2 90038 90045 63.6 90038 90033 90020 90043 cabbage, red, raw (1/2 cup shredded, 35 g) 90038 90045 9 90038 90045 2.1 90038 90045 0.5 90038 90045 0.1 90038 90045 32.0 90038 90033 90020 90043 orange, navel, raw (1 fruit, 131 g) 90038 90045 60 90038 90045 15.2 90038 90045 1.3 90038 90045 0.1 90038 90045 113.7 90038 90033 90020 90043 apple, raw, with skin (1 medium, 138 g) 90038 90045 81 90038 90045 21.0 90038 90045 0.3 90038 90045 0.5 90038 90045 115.8 90038 90033 90020 90043 white sugar, granulated (1 tsp, 4 g) 90038 90045 15 90038 90045 4.0 90038 90045 0 90038 90045 0 90038 90045 0 90038 90033 90238 90239 90002 Throughout most of the world, protein supplies between 8 and 16 percent of the energy in the diet, although there are wide variations in the proportions of fat and carbohydrate in different populations. In more prosperous communities about 12 to 15 percent of energy is typically derived from protein, 30 to 40 percent from fat, and 50 to 60 percent from carbohydrate.On the other hand, in many poorer agricultural societies, where cereals comprise the bulk of the diet, carbohydrate provides an even larger percentage of energy, with protein and fat providing less. The human body is remarkably adaptable and can survive, and even thrive, on widely divergent diets. However, different dietary patterns are associated with particular health consequences (90013 see 90014 nutritional disease). 90003.